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第1章 自动控制的基本概念 1

1.1 自动控制的发展简史 1

1.1.1 经典控制理论阶段 2

1.1.2 现代控制理论阶段 3

1.1.3 大系统控制理论阶段 3

1.1.4 智能控制理论阶段 4

1.2 自动控制的基本原理 4

1.2.1 人工控制与自动控制 4

1.2.2 自动控制系统的构成 6

1.2.3 自动控制系统的基本控制方式 7

1.3 自动控制系统的分类 9

1.3.1 按输入信号特征分类 9

1.3.2 按系统参数特性分类 9

1.3.3 按系统数学模型分类 10

1.3.4 按时间变量特性分类 11

1.3.5 按变量数目分类 11

1.3.6 其他分类方法 11

1.4 对控制系统性能的基本要求 11

1.4.1 稳定性 12

1.4.2 快速性 12

1.4.3 准确性 13

1.5 Matlab在自动控制系统中的应用 13

1.6 本章小结 14

关键术语和概念 14

习题 16

第2章 控制系统的数学描述 17

2.1 控制系统的微分方程描述 17

2.1.1 典型控制系统的数学模型 18

2.1.2 非线性微分方程的线性化 22

2.2 拉普拉斯变换及反变换 24

2.2.1 拉普拉斯变换的定义 24

2.2.2 拉普拉斯变换的性质及其应用 26

2.2.3 拉普拉斯反变换 29

2.2.4 利用拉普拉斯变换求解线性微分方程 31

2.3 控制系统的传递函数描述 32

2.3.1 传递函数的概念和性质 32

2.3.2 典型环节的传递函数 33

2.4 控制系统的结构图 37

2.4.1 结构图的概念 37

2.4.2 控制系统结构图的建立 38

2.4.3 结构图的等效变换 40

2.5 控制系统的信号流图 44

2.5.1 信号流图 44

2.5.2 梅逊公式 45

2.6 控制系统的传递函数 47

2.7 控制系统数学模型的Matlab描述 50

2.8 本章小结 52

关键术语和概念 53

习题 54

第3章 控制系统的时域分析法 60

3.1 典型输入信号与时域性能指标 60

3.1.1 典型输入信号 60

3.1.2 系统的时域性能指标 62

3.2 一阶系统的时域分析 64

3.2.1 一阶系统的单位阶跃响应 65

3.2.2 一阶系统的单位脉冲响应 66

3.2.3 一阶系统的单位斜坡函数响应 66

3.3 二阶系统的时域分析 67

3.3.1 二阶系统的单位阶跃响应 68

3.3.2 二阶系统的脉冲响应 71

3.3.3 欠阻尼二阶系统在单位阶跃输入作用下的瞬态响应指标 72

3.3.4 改善二阶系统性能的措施 78

3.4 高阶系统的时域分析 80

3.4.1 高阶系统的单位阶跃响应 80

3.4.2 主导极点 81

3.5 线性系统的稳定性分析 82

3.5.1 稳定性概念 83

3.5.2 稳定的充分必要条件 84

3.5.3 稳定判据 86

3.6 线性系统的稳态误差 93

3.6.1 稳态误差概念 93

3.6.2 稳态误差的计算 94

3.6.3 减小或消除稳态误差的措施 101

3.7 利用Matlab进行时域分析 103

3.8 本章小结 107

关键术语和概念 108

习题 109

第4章 根轨迹分析法 112

4.1 根轨迹的基本概念 112

4.1.1 采用解析法绘制根轨迹图 112

4.1.2 根轨迹与系统性能 113

4.1.3 根轨迹方程 114

4.1.4 利用试探法确定根轨迹上的点 115

4.2 根轨迹绘制的基本规则 116

4.2.1 绘制根轨迹的基本规则 116

4.2.2 绘制根轨迹举例 128

4.3 广义根轨迹绘制 133

4.3.1 参变量根轨迹的绘制 133

4.3.2 正反馈系统根轨迹的绘制 135

4.3.3 非最小相位系统的根轨迹 138

4.4 基于根轨迹的系统性能分析 139

4.4.1 开环零极点对根轨迹的影响 140

4.4.2 利用根轨迹估算系统参数与性能 143

4.4.3 闭环零、极点分布与系统性能的关系 145

4.5 利用Matlab绘制根轨迹图 147

4.6 本章小结 152

关键术语和概念 152

习题 153

第5章 频率响应分析法 156

5.1 频率特性的基本概念 156

5.2 频率特性的图示方法 158

5.2.1 极坐标图 159

5.2.2 对数坐标图 170

5.3 奈奎斯特稳定判据 180

5.3.1 幅角定理 180

5.3.2 奈奎斯特稳定判据 182

5.4 控制系统的稳定裕量 188

5.4.1 相角裕量和幅值裕量 188

5.4.2 稳定裕量的计算 189

5.5 控制系统的闭环频率特性 190

5.6 频域响应与系统性能指标间的关系 192

5.6.1 二阶系统 192

5.6.2 高阶系统 193

5.7 利用Matlab进行控制系统的频域分析 194

5.8 本章小结 196

关键术语和概念 196

习题 197

第6章 线性控制系统的综合与校正 201

6.1 综合与校正的概念 201

6.1.1 校正的基本方式 201

6.1.2 基本控制规律 202

6.1.3 校正装置及其特性 205

6.2 串联校正 210

6.2.1 串联超前校正 211

6.2.2 串联滞后校正 213

6.2.3 滞后-超前校正 216

6.3 反馈校正 217

6.3.1 反馈校正的基本原理 217

6.3.2 反馈校正设计 218

6.4 复合校正 221

6.5 利用Matlab进行系统校正 222

6.6 本章小结 225

关键术语和概念 225

习题 226

第7章 非线性控制系统 230

7.1 非线性系统的特点 230

7.2 典型非线性环节的数学描述 231

7.3 描述函数法 233

7.3.1 描述函数的基本概念 234

7.3.2 典型非线性特性的描述函数 235

7.3.3 用描述函数分析非线性系统 240

7.4 相平面法 245

7.4.1 相平面图及绘制方法 245

7.4.2 奇点与极限环 249

7.4.3 相平面分析举例 252

7.5 非线性系统的Matlab仿真 256

7.6 本章小结 261

关键术语和概念 261

习题 261

第8章 离散控制系统 264

8.1 离散系统的基本概念 264

8.2 采样过程与采样定理 265

8.2.1 采样过程及其数学描述 266

8.2.2 采样定理 267

8.2.3 信号的恢复 269

8.3 Z变换理论 271

8.3.1 Z变换定义和性质 271

8.3.2 Z变换方法 273

8.3.3 Z反变换方法 277

8.4 离散控制系统的数学描述 279

8.4.1 线性常系数差分方程 280

8.4.2 脉冲传递函数 282

8.5 离散控制系统的分析与设计 292

8.5.1 稳定性分析 292

8.5.2 瞬态响应 296

8.6 离散控制系统的稳态误差 298

8.7 离散系统的数字控制器设计 300

8.8 离散系统的Matlab仿真 304

8.9 本章小结 309

关键术语和概念 309

习题 310

附录 部分习题参考答案 313

第1章 313

第2章 313

第3章 315

第4章 316

第5章 317

第6章 318

第7章 319

第8章 320

参考文献 322